JP2012145624A - 立体像撮影装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減でき、低コストでかつ撮像特性に優れた立体像撮影装置およびそれを備えた電子機器を提供する。
【解決手段】被写体からの光を夫々取り込む２つの第１レンズＬ１,Ｌ１と、第１レンズＬ１,Ｌ１により夫々取り込まれた被写体からの光を合成する光路合成部(光路変換素子Ｐ１を含む)と、光路合成部により合成された被写体からの光を結像させる第１〜第４レンズ群Ｇ１〜Ｇ４と、第１レンズＬ１,Ｌ１により夫々取り込まれた被写体からの光が異なる像面に結像するように、第１〜第４レンズ群Ｇ１〜Ｇ４を透過した光を分離する光路分離部(光路変換素子Ｐ２を含む)とを備える。光路変換素子Ｐ１の入射面から最初の光路変換面Ｐ１aまでの光路長をｌ_１とし、その光路変換面Ｐ１aから光路変換素子Ｐ１の出射面までの光路長をｌ_２とするとき、ｌ_１≦ｌ_２の条件を満足する。
【選択図】図１

Description

この発明は、立体像撮影装置および電子機器に関し、デジタルスチルカメラ(ＤＳＣ)等の小型カメラに搭載される立体像撮影装置およびその立体像撮影装置を備えた電子機器に関し、特に、電子機器である携帯型情報端末および携帯電話に内蔵される小型の立体像撮影装置に関する。

近年、携帯電話やＰＤＡ(Personal Digital Assistant：パーソナル・デジタル・アシスタント)と呼ばれる携帯情報端末等が普及し、それらの多くにカメラが搭載されるようになった。このようなカメラは、小型のＣＣＤ(Charge Coupled Device：電荷結合素子)やＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)センサを用いることで小型化を実現している。また、カメラの高機能化・小型化に伴い、小型化だけでなく、高解像度化・高性能化・多機能化が求められるようになってきている。

また、近年、３次元(３Ｄ)ディスプレイが普及しており、ユーザーの立体視への興味が高まっている。例えば、携帯電話などの小型電子機器において、自分で撮影した写真(静止画)や動画などをディスプレイに立体表示することができるようになってきており、自分が撮影した静止画・動画をディスプレイ上に立体表示させたいという要望が強い。

これらの観点から、例えば、携帯電話に搭載されているようなズーム機能のみを有するカメラでは、ユーザーの期待に応えることができなくなってきており、立体像をも撮影可能にする光学系への期待が高まっている。

これまでに、立体像撮影装置として、(１) 画像合成による方法を用いたものと、(２) 左右で対となる反射手段を使用して、カメラの撮影素子を半分に分けて撮影するものが提案されている。

上記(１)に関しては、例えば、特許文献１に示されている様に、カメラを複数台使用し、異なった視点から撮影する方法が一般的である。上記(１)の方法では、同じ特性を有するカメラを２台備え、撮影対象である被写体に対して、２台のカメラの光軸がずれないように光軸合わせを行い、精度良く配置し、２台のカメラで撮影した画像を外部信号に同期させて映像を取り込み、立体像を生成している。

また、上記(２)に関しては、例えば、特許文献２や特許文献３に示されている様に、２つの被写体光入射窓を持つステレオアダプタを立体像撮影が可能なカメラに取り付け、画面を２分割して右目用、左目用の写真を並べて露光するものや、左右二つのカメラレンズの光路を回転ミラーと湾曲(凸面)ミラーを用いて左右方向に圧縮し、カメラの撮影素子を左右(水平方向)半分に分けて撮像を行い、画像処理によって伸張して、撮像素子全体を用いて撮像したときと同じアスペクト比にする立体アダプタおよび立体像撮影装置が提案されている。

しかしながら、上記特許文献１に示される様な立体撮影装置は、全く同じ特性のカメラが２台必要であり、コスト面で不利であるだけでなく、立体像を得るために、被写体に対して２台のカメラの光軸がずれないように、精度良く光軸合わせを行う必要があるし、撮影した画像を外部信号に同期させて映像を取り込む画像処理機構も必要である。これらの点から考えると、２台以上のカメラを用いて、立体像を撮影するカメラは、低廉化・小型化することができないという問題がある。

一方、特許文献２や特許文献３に示されている方式では、撮像素子を左右に分割して撮影しているため、左右で同じ撮影対象(被写体)を取り込む光軸が異なり(物理的に離れた位置にある)、像の歪曲を打ち消す補正手段が必要であるだけでなく、撮影画像の左右方向の視野が狭くなるため、これを回避するために複雑な補正手段が必要になる。また、左右の画像は撮像素子の半分で撮影するため、全体画素を用いて撮影する場合に比して、画像が粗くなり、高画質が望まれるカメラの用途としては不向きである。

特開平７−２２９７３６号公報 特開平７−７７７４７号公報 特開２００３−１４０２８０号公報

そこで、この発明の課題は、部品点数を削減でき、低コストでかつ撮影特性に優れた立体像撮影装置およびそれを備えた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の立体像撮影装置は、
立体像を生成するための複数の視差画像が得られるように、被写体からの光を夫々取り込む複数の光取込部と、
上記複数の光取込部により夫々取り込まれた上記被写体からの光を合成する光路合成部と、
上記光路合成部により合成された上記被写体からの光を複数のレンズを介して結像させる結像部と、
上記複数の光取込部により夫々取り込まれた上記被写体からの光が異なる像面に結像するように、上記結像部を透過した光を分離する光路分離部と
を備え、
上記光路合成部は、少なくとも１つの光路変換面を有する光路変換素子を有すると共に、
上記光路分離部は、少なくとも１つの光路変換面を有する光路変換素子を有し、
上記光路合成部の上記光路変換素子の入射面から最初の光路変換面までの光路長をｌ_１とし、その最初の光路変換面から上記光路変換素子の出射面までの光路長をｌ_２とするとき、
ｌ_１≦ｌ_２ ……… (式１)
の条件を満足することを特徴とする。

上記構成によれば、複数の光取込部より取り込んだ光線を光路合成部によって合成し、結像部を介して集光させて、撮像素子の直前で再び光路を光路分離部により分割し、別々の撮像素子上に結像させることで、被写体を複数の異なった角度から撮影することが可能となり、立体像を得ることができる。この構成において、光路変換素子が上記(式１)の条件を満たす様にすることで、光取込部の光軸方向の厚みを薄くでき、コンパクトな撮影装置とすることができる。また上記(式１)の条件を満たすことで、光取込部や結像部などの光学部材の様々な配置が可能となり(光路変換素子内部で複数回反射させる系など)、結像光学系を構成する光学部材の配置の自由度が上がる。

また、複数の独立した光学系を用いて、共通の被写体を撮影するのと比較すると、結像部の光学系の少なくとも一部を共通の光学系として利用することで、部品点数を削減することができ、コストを削減できる。また、複数の光学系毎に独立の調整機構を必要としないため、機構的にコンパクトになる。また、共通な部品点数が多いため、組立性を向上させることができる。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記複数の光取込部および上記結像部は、物体側から像面側に向かって順に、像面からの距離が固定された負の屈折力を有する第１レンズ群と、変倍時に移動する正の屈折力を有する第２レンズ群と、変倍時および合焦時に移動する負の屈折力を有する第３レンズ群と、像面からの距離が固定された正の屈折力を有する第４レンズ群で構成され、
上記複数の光取込部は、上記第１レンズ群の最も物体側のレンズであり、負の屈折力を有する。

上記実施形態によれば、複数の光取込部および結像部を負正負正の４群構成のズームレンズとすることで、広角端と中間焦点距離および望遠端において良好な光学特性(球面収差、非点収差および歪曲収差などの特性)を得ることができる。また、望遠端でも明るさの劣化を最小限に抑えることができる。さらに、第１レンズ群の最も物体側のレンズである複数の光取込部が負の屈折力を有することによって、光路合成部に入射する光線の有効径を小さくし、光路合成部の光路変換素子が厚み方向(光取込部の光軸方向)に大きくなるのを抑制している。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記第１レンズ群が略アフォーカルな光学系である。

上記実施形態によれば、第１レンズ群を略アフォーカルな光学系とすることで、第１レンズ群の内部に配置された光路合成部の光路変換素子が厚み方向に大きくなるのを抑制しながら、光路合成部の光路変換素子の光学全長を長くすることができる。この様な構成とすることで、第１レンズ群の配置レイアウトの自由度が高まり、小型な立体像撮影装置とすることができる。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記光路合成部の上記光路変換素子および上記光路分離部の上記光路変換素子は、偏光変換素子である。

上記実施形態によれば、光路合成部の光路変換素子および光路分離部の光路変換素子に偏光変換素子を用いることで、複数の光取込部により夫々取り込まれた被写体からの光の合成と分離を簡単な構成で行うことができる。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記光路合成部の上記光路変換素子に入射する光線の有効径をＤｏとし、上記光路変換素子から出射する光線の有効径をＤｉとするとき、
Ｄｏ≧Ｄｉ ……… (式２)
の条件を満たす。

上記実施形態によれば、上記(式２)の条件を満たして、光路変換素子に入射する光線の光束径を小さくすることで、立体像撮影装置が厚み方向に大きくなるのを抑制できる。また、上記(式２)の条件を満たすことで、第１レンズ群をコンパクトな光学系にすることができる。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記光路合成部の上記光路変換素子における入射面から最初の光路変換面までの光路長をｌ_１とし、上記光路合成部の上記光路変換素子における上記最初の光路変換面から出射面までの光路長をｌ_２とし、上記光路分離部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ２とし、上記光取込部から像面までの全光路長をＬallとするとき、
(ｌ_１＋ｌ_２＋ＬＰ２)／Ｌall ＞ ０.４ ……… (式３)
の条件を満たす。

上記実施形態によれば、上記(式３)の条件を満たすことで、光路合成部の光路変換素子および光路分離部の光路変換素子の配置レイアウトの自由度を高めることができ、コンパクトな光学系を実現することができる。また、特に、光路分離部の光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長ＬＰ２を長くすることで、最終レンズから像面までの距離を大きく取ることができるようになり、像面において、周辺光量比が均一な画像を得ることができるようになる。従って、撮像素子の配置誤差の感度を緩めることができ、組立性に優れた立体像撮影装置を実現することができる。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記光路合成部は、上記第１レンズ群内に配置され、
上記光路合成部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ１とし、上記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とするとき、
−０.８ ＜ ｆ１／ＬＰ１ ＜ −０.１ ……… (式４)
の条件を満足する。

上記実施形態によれば、光路合成部の光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長ＬＰ１(＝ｌ_１＋ｌ_２)と第１レンズ群の焦点距離：ｆ１を上記(式４)の条件を満たす様にすることで、厚み方向への大きさを小さくできるため、立体像撮影装置の配置レイアウトの自由度を高めながら、厚み方向(光取込部の光軸方向)に対して、最小な光学系を実現できる。

また、一実施形態の立体像撮影装置では、
上記光路合成部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ１とし、上記光路分離部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ２とするとき、
０.１ ＜ ＬＰ２／ＬＰ１ ＜ ０.３ ……… (式５)
の条件を満足する。

上記実施形態によれば、上記(式５)の条件を満足する様に、光路合成部の光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長ＬＰ１と、第４レンズ群の像面側に配置された光路合成部の光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長ＬＰ２を適切に設定することによって、立体像撮影装置の占有体積を最小にすることができ、装置の小型化に貢献できる。また、上記(式５)の条件を満足することで、第４レンズ群と撮像素子との距離を離すことができるため、撮像素子上で周辺光量比が均一な被写体像が得られやすくなり、組立時に高精度なアライメントを必要としないため、組立性に優れた立体像撮影装置を提供することができる。

また、この電子機器では、
上記のいずれか１つの立体像撮影装置を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、上記立体像撮影装置を携帯電話等の小型の電子機器に搭載することで、撮影した静止画や動画に対して、立体像を撮影する立体画像撮影装置として応用することが可能となり、高機能かつ付加価値の高い小型の電子機器を提供することができる。

以上より明らかなように、この発明の立体像撮影装置によれば、部品点数を削減でき、低コストでかつ撮影特性に優れた立体像撮影装置を提供することにある。

また、この発明の電子機器によれば、低コストでかつ撮影特性に優れた撮影機能を有する電子機器を提供することにある。

図１は本発明の第１実施形態の立体像撮影装置の一例としてのズームレンズの構成を示す広角端における断面図である。 図２は上記ズームレンズの構成を示す中間焦点距離における断面図である。 図３は上記ズームレンズの構成を示す望遠端における断面図である。 図４は上記ズームレンズの広角端位置から望遠端位置までの各レンズ群の移動範囲を示す模式図である。 図５は上記ズームレンズの他の実施例を示す断面図である。 図６は上記ズームレンズの広角端の収差図である。 図７は上記ズームレンズの中間焦点距離の収差図である。 図８は上記ズームレンズの望遠端の収差図である。 図９は本発明の第２実施形態の偏光合成式の立体像撮影装置の概略模式図である。 図１０は上記偏光合成式の立体像撮影装置の一例としてのズームレンズの構成図である。 図１１は上記ズームレンズの斜視図である。 図１２は上記ズームレンズの光取込部を詳細に説明するための図である。 図１３は上記ズームレンズの光取込部を詳細に説明するための図である。 図１４は上記ズームレンズの光路分離部を詳細に説明するための図である。 図１５は上記ズームレンズの光路分離部を詳細に説明するための図である。 図１６は本発明の立体像撮影装置に用いられる撮像素子の他の実施例を示す図である。 図１７は上記偏光合成式の立体像撮影装置の画像処理装置の構造を説明するブロック図である。 図１８は本発明の第３実施形態の立体像撮影装置を用いた電子機器の一例としての携帯電話の正面図である。 図１９は上記携帯電話の背面図である。 図２０は上記携帯電話の側面図である。 図２１は偏光合成方式以外の光学系を用いた立体像撮影装置を説明するための図である。

以下、この発明の立体像撮影装置および電子機器を図示の実施の形態により詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態の立体像撮影装置に関して、図１〜図３を参照して説明する。立体像を撮影するためには、図１〜図３に示される光取込部である第１レンズＬ１は２つ必要となるが、この第１実施形態の説明では、その片側の構成として説明する。複数の光取込部より被写体像を取り込む際には、光路変換素子が必要となるが、ここでは簡易的に、第１レンズＬ１が１つのズームレンズのみについて説明する。

図１は本発明の第１実施形態の立体像撮影装置の一例としてのズームレンズの構成を示す広角端における断面図を示し、図２は上記ズームレンズの構成を示す中間焦点距離における断面図を示し、図３は上記ズームレンズの構成を示す望遠端における断面図である。また、図１〜図３において、左側が物体側であり、右側が像面側である(被写体の方向は下側)。

また、この第１実施形態の立体像撮影装置(ズームレンズ)の屈折力配分および広角端から望遠端へのズーミング時における各レンズの移動の様子を図４に表している。この第１実施形態において、ズーミング時に光軸方向に沿って移動するのは、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３である。

図１〜図３および図４に示されるように、この第１実施形態の立体像撮影装置は、像面からの距離が固定された負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、変倍時に光軸方向に沿って移動する正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、変倍時や合焦時に光軸方向に沿って移動する負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、像面ＩＭＧからの距離が固定された正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４から構成されている。上記第１レンズ群と第２レンズ群と第３レンズ群と第４レンズ群を物体側から像面ＩＭＧ側に向かって順に配置している。また、第１レンズ群Ｇ１内に光路合成部の光路変換素子Ｐ１を配置し、第４レンズ群Ｇ４の像面側に光路分離部の光路変換素子Ｐ２を配置している。

図１〜図３において、第１レンズ群Ｇ１において、物体側から順に、物体側に凸面を備えた負のメニスカスレンズ形状の第１レンズＬ１と、第１レンズＬ１を介して入射した光線の光路を略９０度Ｘ方向に折り曲げる光路変換素子Ｐ１と、物体側と像面ＩＭＧ側に対して共に凹面を備えた第２レンズＬ２と、物体側が凸面でかつ像面ＩＭＧ側が略平面の第３レンズＬ３を配置している。この第１レンズ群Ｇ１は負の屈折力を有している。

また、第２レンズ群Ｇ２は、物体側から像面ＩＭＧ側に向かって順に、絞りＳＴＯと、物体側および像面ＩＭＧ側に凸面を備えた第４レンズＬ４と、物体側に凸面を備えたメニスカスレンズ形状の第５レンズＬ５と物体側に凸面を備えたメニスカスレンズ形状の第６レンズＬ６との貼り合わせからなる接合レンズＬ５６を配置している。この第２レンズ群Ｇ２は正の屈折力を有している。

更に、第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凸面を備えた負のメニスカスレンズ形状の第７レンズＬ７の１枚だけで構成されている。この第３レンズ群Ｇ３は負の屈折力を有している。

また、第４レンズ群Ｇ４は、物体側に凹面および像面ＩＭＧ側に凸面を備えたメニスカスレンズ形状の第８レンズＬ８の１枚だけで構成されている。この第４レンズ群Ｇ４は正の屈折力を有している。第４レンズ群Ｇ４の像面側には光路を略９０度折り曲げる、または分離することを目的として配置された光路変換素子Ｐ２が配置されている。

第１レンズ群Ｇ１に配置された光路合成部の光路変換素子Ｐ１は、光路変換面Ｐ１ａを有しているが、光路変換面Ｐ１ａは、例えば、アルミニウムなどの金属などを蒸着し、金属反射面として用いられる(光路分離部の光路変換素子Ｐ２も同様)。しかしながら、光路変換面Ｐ１ａに到達する光線が、全反射条件を満たす時、上記の様な金属反射面は設けなくても良い。

また、図１〜図３において、光路変換素子Ｐ２の後部に図示されている平面ガラスである第９レンズＬ９は、像面ＩＭＧを保護するカバーガラスである。

上記第１レンズ群Ｇ１から入射した被写体の光線は、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４を介して、像面ＩＭＧに結像する。

図４は、広角端および望遠端における第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の移動の様子を示している。図４において、光路変換素子Ｐ１に入射する光の光軸に沿った方向をＹ方向とし、光路変換素子Ｐ１により折り曲げられた後の光の光軸に沿った方向をＸ方向とする。広角端から望遠端への変倍時に第２レンズ群Ｇ２および第３レンズ群Ｇ３は、光軸に沿って単調に移動し、第１レンズ群Ｇ１および第４レンズ群Ｇ４は、像面ＩＭＧに対して固定されている。

図４に示されるように、上記立体像撮影装置(ズームレンズ)は、望遠端へのズーミング時に、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３が固定群である第１レンズ群Ｇ１と近接することで、ズームレンズを高倍へ変倍することを可能にしている。また、ズーミング時に第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３は、共に像面ＩＭＧ方向に単調に移動するが、第３レンズ群Ｇ３は、第２レンズ群Ｇ２の移動量よりも第１レンズ群Ｇ１の方向への移動量を多くすることで、第２レンズ群Ｇ２の移動による像面ＩＭＧの変動を補正している。また、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の移動領域はその一部を重なり合わせることで、光路合成部の光路変換素子がＸ方向に大きくなるのを抑制している。

次に、ズームレンズにおいて最も特徴的な部分である第１レンズ群Ｇ１内に配置された光路変換素子Ｐ１について詳細に説明する。

図１〜図３に示されるように、第１レンズ群Ｇ１において、光路変換素子Ｐ１よりも物体側に負の屈折力を有するメニスカスレンズ形状の第１レンズＬ１を配置している。ズームレンズの厚みを制約するのは、光路変換素子Ｐ１のＹ方向の厚みであるため、光路変換素子Ｐ１より物体側へ負の屈折力を有するメニスカスレンズ形状の第１レンズＬ１を配置することで、光路変換素子Ｐ１へ入射する光線の有効径を小さくし、光路変換素子Ｐ１がＹ軸方向へ大きくなるのを抑制している。

本実施形態では、光路変換素子Ｐ１の入射面３から光路変換素子Ｐ１の光路変換面Ｐ１ａまでの距離ｌ_１(ｍｍ)に対して、光路変換素子Ｐ１の光路変換面Ｐ１ａから光路変換素子Ｐ１の出射面４までの距離ｌ_２(ｍｍ)が大きくなっている。一般的に、例えば、プリズムのような光路変換素子を例に挙げると、ｌ_１(ｍｍ)とｌ_２(ｍｍ)は等しくなるように配置されているが、このズームレンズでは、光路変換素子Ｐ１より物体側に配置されたメニスカスレンズ形状の第１レンズＬ１と、光路変換素子Ｐ１の像面側に配置された２枚の第２,第３レンズＬ２,Ｌ３を最適な形状にすることで、第１レンズ群Ｇ１が略アフォーカル(afocal)な光学系となっており、
ｌ_１(ｍｍ) ＜ ｌ_２(ｍｍ) ……… (式１)
となる。

この第１実施形態では、ｌ_１＝７(ｍｍ)であるのに対し、ｌ_２＝１２(ｍｍ)となっている。光路変換素子Ｐ１の入射面３から光路変換素子Ｐ１の光路変換面Ｐ１ａまでの距離ｌ_１(ｍｍ)を、光路変換面Ｐ１ａから光路変換素子Ｐ１の出射面４までの光路長ｌ_２より長くすることで、例えば、もう１つ光路変換素子(光路変換面)を配置することができるようになり、ズームレンズのレイアウトの幅を広げることができる。

また、図１において、光路変換素子Ｐ１の光学全長ＬＰ１(ｍｍ)、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１(ｍｍ)に関して、ｆ１／ＬＰ１は、
−０.８ ＜ ｆ１／ＬＰ１ ＜ −０.１ ……… (式４)
の条件を満たしているのが望ましい。更には、ｆ１／Ｌ０＝−０.４６となることが望ましい。

上記第１実施形態では、光路変換素子Ｐ１の光学全長ＬＰ１(ｍｍ)と第１レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１(ｍｍ)は、それぞれ、１９.０(ｍｍ)、−８.７２(ｍｍ)であり、ｆ１／ＬＰ１＝−０.４６となっており、上記(式４)の条件を満たしている。この(式４)において、光路変換素子Ｐ１の光学全長ＬＰ１を固定したまま第１レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１を小さくする(ｆ１／ＬＰ１を−０.８に近づける)ことで、第１レンズ群Ｇ１の屈折力が強まり、第１レンズ群Ｇ１に入射する光線の有効径を小さくすることができるため、光路変換素子Ｐ１がズームレンズの厚み方向に大きくなるのを抑制することができる。これにより、立体像撮影装置の配置レイアウトの自由度を高めながら、厚み方向(第１レンズＬ１の光軸方向)に対して、最小な光学系を実現できる。

また、ｆ１／ＬＰ１≧−０.１となると、第１レンズ群Ｇ１の屈折力が弱まり、光路変換素子Ｐ１の入射面３へ入射する光線を十分に小さく絞ることができなくなってしまうため、ｆ１／ＬＰ１は(式４)の範囲内に設定するのが望ましい。

また、図１において、第１レンズ群Ｇ１に配置された光路変換素子Ｐ１の光学全長ＬＰ１(ｍｍ)と第４レンズ群Ｇ４に配置された光路変換素子Ｐ２の光学全長ＬＰ２(ｍｍ)において
０.１ ＜ ＬＰ２／ＬＰ１ ＜ ０.３ ……… (式５)
となっているのが望ましい。更には、ＬＰ２／ＬＰ１＝０.２２であるのが望ましい。図１において、ＬＰ１＝１９.０(ｍｍ)、ＬＰ２＝４.２５(ｍｍ)となっており、ＬＰ２／ＬＰ１＝０.２２となっている。

このように、ＬＰ２／ＬＰ１＝０.２２とすることで、第４レンズ群Ｇ４と撮像素子の距離を離すことができるため、撮像素子上で周辺光量比が均一な被写体像を得ることができ、組立時に高精度なアライメントを必要としないため、組立性に優れた結像光学系を提供することができる。

また、ＬＰ２／ＬＰ１が上記(式５)の条件を満たす範囲内に設定することで、第４レンズ群Ｇ４から像面ＩＭＧまでを略アフォーカルな光学系とすることができ、像の中心に対して周辺の光線の光量の低下を抑制することができるため、光量が均一な画像を得ることができる。

例えば、ＬＰ２／ＬＰ１≦０.１となると、ズームレンズの光学特性に対する光路変換素子Ｐ１の光学全長ＬＰ１の影響が大きくなるため、組立時に光路変換素子Ｐ１を精度良くアライメントする必要があり、量産性に優れたズームレンズとすることができない。

図５は、第１レンズ群Ｇ１内に光路変換面を２つ含む立体像撮影装置(ズームレンズ)の広角端でのレンズ配置を示している。図５では、２つの光路変換面Ｐ１ａ,Ｐ１ｂを有する光路変換素子Ｐ１が第１レンズ群Ｇ１内の第１レンズＬ１の像面側に配置されている。光路変換素子Ｐ１の入射面より入射した光線は、入射面から最初の光路変換面である第１の光路変換面Ｐ１ａでＹ方向へ反射され、第２の光路変換面Ｐ１ｂでＸ方向へ反射され、光路変換素子Ｐ１の出射面から出射する。

この様な構成とすることで、立体像撮影装置のＸ方向の長さを小さくすることができ、例えば携帯電話などの小型電子機器の内部において、立体像撮影装置が占有する体積を効率的に小さくすることができる。

このように、第１レンズ群Ｇ１の光路変換素子Ｐ１において、光路変換素子Ｐ１の入射面から光路変換素子Ｐ１の光路変換面Ｐ１ａまでの光路長ｌ_１(ｍｍ)と、光路変換素子Ｐ１の光路変換面Ｐ１ａから光路変換素子Ｐ１の出射面４までの光路長ｌ_２(ｍｍ)において、ｌ_１(ｍｍ)≦ｌ_２(ｍｍ)となるように光路変換面Ｐ１ａを配置することで、光線の反射方向を様々に変換することが可能となり、立体像撮影装置のレイアウトの幅を広げることができるし、幅方向・長さ方向に効率的に小さくすることができる。

図５で説明した立体像撮影装置は、光路変換素子Ｐ１に光路変換面を２面有しているが、実施形態はこの限りではなく、第１レンズＬ１の各パラメータおよび第２,３レンズＬ２,Ｌ３の各パラメータを適切に設定することで、光路変換面を２つ以上有する光路変換素子として用いることもできる。

次に、この第１実施形態の立体像撮影装置(ズームレンズ)における各レンズおよびレンズ群の役割について詳細に説明する。

図１〜図３に示される立体像撮影装置の第１レンズ群Ｇ１は、３枚のレンズ(Ｌ１,Ｌ２,Ｌ３)から成り、第１レンズ群Ｇ１内に１つの光路変換素子Ｐ１が配置されているが、第１レンズ群Ｇ１と光路変換素子Ｐ１とを像面ＩＭＧに対して、常に固定とすることで、第１レンズＬ１と光路変換素子Ｐ１との機械的なクリアランスを別途設ける必要がなく、光路変換素子Ｐ１と第１レンズＬ１を可能な限り接近させることができ、ズームレンズを厚み方向に小さくすることができる。

また、この第１実施形態の立体像撮影装置において、第１レンズ群Ｇ１に配置された第２レンズＬ２と第３レンズＬ３は、光路変換素子Ｐ１の内部を透過する光線が略アフォーカルとするために、光路変換素子Ｐ１の像面側に配置されている。

図１〜図３において第２,第３レンズＬ２,Ｌ３のレンズパラメータを適切に設定することによって、光路変換素子Ｐ１に入射する光線の光束径Ｄｉと光路変換素子Ｐ１から出射する光線の光束径Ｄоには、
Ｄｉ≦Ｄо ……… (式２)
が成り立っている。上記(式２)が成立することで、入射光束径の拡大によって、光路変換素子Ｐ１がＹ方向に大きくなるのを最小限に留めている。これにより、第１レンズ群Ｇ１と光路変換素子Ｐ１とをコンパクトな光学系にすることができる。

また、第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、絞りＳＴＯと、物体側と像面側の両方に凸面を備えた第４レンズＬ４と、物体側に凸面を備えたメニスカスレンズ形状の第５レンズＬ５と物体側に凸面を備えたメニスカスレンズ形状の第６レンズ６との貼り合わせからなる接合レンズＬ５６とから構成されている。

開口絞りである絞りＳＴＯを第２レンズ群Ｇ２の物体側に配置し、ズーミングの際に第２レンズ群Ｇ２と共に絞りＳＴＯを移動させることで、第１レンズ群Ｇ１が負の屈折力を有することによる明るさＦｎｏの低下を抑えている。また、絞りＳＴＯの像面側に正の屈折力を有する第４レンズＬ４を配置することで、収差を抑えながら第２レンズ群Ｇ２の屈折力を大きくし、ズーミング時の第２レンズ群Ｇ２の移動量を小さくしている。また、第４レンズＬ４の像面側に、アッベ数(逆分散率)の異なる２枚のレンズＬ５,Ｌ６を貼り合わせた接合レンズＬ５６を配置することで、色収差および球面収差を補正している。

また、第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凸面を備えた負のメニスカスレンズ形状のレンズＬ７の１枚のみで構成されているが、第３レンズ群Ｇ３は、ズーミング時に移動し、第２レンズ群Ｇ２の移動に伴う像面ＩＭＧでのフォーカスのズレを補正する。第３レンズ群Ｇ３の第７レンズＬ７は、ポリカーボネートなどのプラスチック材料で形成されている。

また、第４レンズ群Ｇ４は、物体側に凹面を備えたメニスカスレンズ形状の第８レンズＬ８の１枚のみで構成される。この第４レンズ群Ｇ４は、像面ＩＭＧに対して常に固定されているため、第８レンズＬ８と光路変換素子Ｐ２との機械的なクリアランスを別途設ける必要がなく、第８レンズＬ８と光路変換素子Ｐ２を可能な限り接近させることができ、立体像撮影装置の小型化に貢献できる。また、第８レンズＬ８は、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３のズーミング時に発生した、コマ収差や非点収差を補正している。また、第４レンズ群Ｇ４の像面側に、屈折力を持たない光路変換素子Ｐ２を配置することで、バックフォーカスを長くとり、各画角における結像光の像面ＩＭＧへの入射角度の差を小さくしている。その結果、像面ＩＭＧにおいて、中心に対する周辺部の光量の低下を抑制することができ、均一な画像を得ることができる。また、図１〜図３では記さないが、第４レンズ群Ｇ４の像面側に配置された光路変換素子Ｐ２で、光路をＹ方向に略９０度折り曲げることによって、立体像撮影装置をＸ方向に対しても小さくすることもできる。

次に、上記第１実施形態における数値例について説明する。

表１,表２,表３は、この第１実施形態の立体像撮影装置の構成に対する具体的な数値データを示したものであり、表１に面データを示し、表２に表１の面データのうち、非球面レンズの形状に関するデータを示し、表３に、各ズームポジションにおける焦点距離ｆ、Ｆナンバー、画角２ｗを示している。数値例において、上記で説明した様な、光路変換面による反射は考慮せず、例えば、Ｄ３は光路変換素子Ｐ１の入射面３から光路変換素子Ｐ１の出射面４までの距離を表しているものとする。表１および表２に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像面側に向かうに従って順次増加するように番号を付したｉ番目(ｉ＝１〜２３)の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、物体側からｉ番目(ｉ＝１〜２３)の面の曲率半径の値を示している。面間隔Ｄｉの欄には、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示している。尚、面間隔Ｒｉおよび曲率半径Ｄｉの値の単位はｍｍ(ミリメートル)である。屈折率およびアッベ数の欄には、レンズ要素のｄ線(５８７.６ｎｍ)に対する屈折率およびアッベ数の値を示している。

また、非球面形状に関しては、光軸方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとるとき、次の非球面式(式６)を用いて表される。

ただし、Ｋは円錐定数、Ｒは曲率半径、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤはそれぞれ第４次、第６次、第８次および第１０次の非球面係数、Ｚは光軸から高さＹの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面(光軸に垂直な平面)に下ろした垂線の長さを示す。また、本明細書における各非球面データの数値は、１０のべき乗数を「Ｅ」を用いて表すものとする。すなわち、例えば、２.５×１０−０２は、２.５Ｅ−０２と表すものとする。

表１において、第１レンズＬ１はＳ１からＳ２、光路変換素子Ｐ１はＳ３からＳ４、第２レンズＬ２はＳ５からＳ６、第３レンズＬ３はＳ７からＳ８、絞りＳＴＯがＳ９、第４レンズＬ４はＳ１０からＳ１１、第５レンズＬ５はＳ１２からＳ１３、第６レンズＬ６はＳ１３からＳ１４(貼り合せ)、第７レンズＬ７はＳ１５からＳ１６、第８レンズＬ８がＳ１７からＳ１８、光路変換素子Ｐ２がＳ１９からＳ２０に対応している。また、撮像素子のＬ９がＳ２１からＳ２２に対応しており、Ｓ２３は像面に対応している。

図６〜図８は、上記第１実施形態に示すズームレンズの収差図であり、図６は広角端の収差図、図７は中間焦点位置の収差図、図８は望遠端の収差図を示している。図６〜図８に示す球面収差図において、実線はｅ線(波長５４６.１ｎｍ)、一点鎖線はＣ線(波長６５６.３ｎｍ)、点線はｇ線(波長４３５.８ｎｍ)を示している。また、図６〜図８に示す非点収差図においては、実線がサジタル像面Ｓ、点線がタンジェンシャル像面Ｔを示している。また、図６〜図８において、球面収差図および非点収差図の横軸は結像位置[ｍｍ]を示し、歪曲収差図の横軸は、歪曲[％]を示すと共に、球面収差図,非点収差図および歪曲収差図の縦軸は、最大像高に対する割合を示している。

図６〜図８に示すように、球面収差、非点収差および歪曲収差の各特性について、広角端、中間焦点位置および望遠端で各収差は良好に補正されている。

上記立体像撮影装置の構成によれば、２つの光取込部である第１レンズＬ１,Ｌ１より取り込んだ光線を、光路変換素子Ｐ１を含む光路合成部によって合成し、共通の第２,第３レンズＬ２,Ｌ３と第２〜第４レンズ群Ｇ２〜Ｇ４を介して集光させ、撮像素子の直前で再び光路を、光路変換素子Ｐ２を含む光路分離部により分割し、別々の撮像素子上に結像させることで、被写体を複数の異なった角度から撮影することが可能となり、立体像を得ることができる。この構成において、光路変換素子が上記(式１)の条件を満たす様にすることで、コンパクトな立体像撮影装置を実現することができる。また上記(式１)の条件を満たすことで、結像光学系を構成する光学部材の様々な配置が可能となり(光路変換素子内部で複数回反射させる系など)、結像光学系を構成する光学部材の配置の自由度が上がる。

また、複数の独立した光学系を用いて、共通の被写体を撮影するのと比較すると、結像部である第１〜第４レンズ群Ｇ１〜Ｇ４の一部を共通の光学系として利用することで、部品点数を削減することができ、コストを削減することができる。また、光取込部である第１レンズＬ１,Ｌ１毎に独立の調整機構を必要としないため、機構的にコンパクトになる。また、共通な部品点数が多いため、組立性を向上させることができる。

また、光取込部および結像部を負正負正の第１〜第４レンズ群Ｇ１〜Ｇ４からなる４群構成とすることで、広角端と中間焦点距離および望遠端において良好な光学特性(球面収差、非点収差および歪曲収差などの特性)を得ることができる。また、望遠端でも明るさの劣化を最小限に抑えることができる。さらに、第１レンズ群Ｇ１の最も物体側のレンズである複数の第１レンズＬ１,Ｌ１が負の屈折力を有することによって、光路合成部の光路変換素子Ｐ１に入射する光線の有効径を小さくし、光路変換素子Ｐ１が厚み方向(第１レンズＬ１,Ｌ１の光軸方向)に大きくなるのを抑制している。

また、第１レンズ群Ｇ１を略アフォーカルな光学系とすることで、第１レンズ群Ｇ１の内部に配置された光路変換素子Ｐ１が厚み方向に大きくなるのを抑制しながら、光路変換素子Ｐ１の光学全長を長くすることが可能となる。この様な構成とすることで、第１レンズ群Ｇ１の配置レイアウトの自由度が高まり、小型な立体像撮影装置とすることができる。

また、上記光路合成部の光路変換素子Ｐ１および光路分離部の光路変換素子Ｐ２に偏光変換素子を用いることで、２つの第１レンズＬ１,Ｌ１により夫々取り込まれた被写体からの光の合成と分離を簡単な構成で行うことができる。

また、上記光路合成部の光路変換素子Ｐ１における入射面から最初の光路変換面までの光路長をｌ_１とし、光路変換素子Ｐ１における最初の光路変換面から出射面までの光路長をｌ_２とし、光路分離部の光路変換素子Ｐ２における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ２とし、光取込部である第１レンズＬ１,Ｌ１から像面までの全光路長をＬallとするとき、
(ｌ_１＋ｌ_２＋ＬＰ２)／Ｌall ＞ ０.４ ……… (式３)
の条件を満たすことで、光路合成部の光路変換素子Ｐ１および光路分離部の光路変換素子Ｐ２の配置レイアウトの自由度を高めることができ、コンパクトな光学系を実現することができる。また、特に、光路分離部の光路変換素子Ｐ２における入射面から出射面までの光学全長ＬＰ２を長くすることで、最終の第８レンズＬ８から像面までの距離を大きく取ることができるようになり、像面において、周辺光量比が均一な画像を得ることができるようになる。従って、撮像素子の配置誤差の感度を緩めることができ、組立性に優れた立体像撮影装置とすることができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態として、偏光合成方式を用いた立体像撮影装置に関して、図９〜図１７を用いて説明する。この第２実施形態に係る偏光合成式の立体像撮影装置は、左右から見た被写体を偏光の違いを利用して合成し、１つのカメラ光学系で結像し、再び偏光の違いにより２つの像に分離し、それぞれに対応した撮像素子に結像させ、両眼(左右２枚)の画像を形成するものである。異なった方向から光線を取り込むために、２つの光取込部１０１,１０２が配置されている。また、撮像素子において、２つの分離した像として取り込むために、２つの撮像素子１０６,１０７が配置されている。以下、その構成について具体的に説明する。

図９は、上記第２実施形態に係る偏光合成式の立体像撮影装置１００を示す概念図である。この偏光合成式の立体像撮影装置１００は、図９に示すように、概略的には被写体Ａの像を取り込む２か所の光取込部１０１(Ｌ１),１０２(Ｌ１)と、光取込部１０１から入射した入射光と、光取込部１０２から入射した偏光成分の異なる(ｐ偏光成分とｓ偏光成分)入射光を合成して、カメラ光学系１０４に導く光路合成部の一例としての偏光合成部１０３と、被写体Ａの像を所望の倍率で撮像素子１０６,１０７上に結像する結像部の一例としてのカメラ光学系１０４(Ｌ２〜Ｌ８)と、カメラ光学系１０４を出射した結像光を偏光成分の違いにより、２つの撮像素子１０６,１０７方向に分離する光路分離部の一例としての偏光分離部１０５と、撮像素子１０６,１０７で得られた被写体像を撮像(光電変換)した後に、Ａ／Ｄ変換して得たデジタル画像データから画像を形成する画像処理装置１０８とを備えている。撮像素子１０６,１０７には、偏光成分の異なる光が入射し、撮像イメージＩＭＧ１とＩＭＧ２は一定量ずれた映像(視差画像)となる。このずれ量は、光取込部１０１,１０２の配置によって決まる数値である。図９では、光取込部１０１と光取込部１０２の中心間隔は、２０(ｍｍ)離れている。

光取込部１０１,１０２から取り込まれた被写体Ａの像が、撮像素子１０６,１０７上に結像される過程を図１０〜図１６を用いて説明する。

図１０は、上記第２実施形態の偏光合成式の立体像撮影装置１００を被写体側から見た図であり、図１１は立体像撮影装置１００の斜視図である。図１０において偏光合成部１０３は、光の入射側から見て、光取込部１０１(Ｌ１),１０２(Ｌ１)と、その裏面に夫々配置されたプリズムなどの光路変換素子１０９Ｌ,１０９Ｒと、光路変換素子Ｐ１０１と偏光補正シート(λ／４位相差シート)１１１と、反射ミラー１１２で構成されている。光取込部１０１,１０２から入射した光線は、光路変換素子１０９Ｌ,１０９Ｒによって、光路を９０度折り曲げられ、光路変換素子Ｐ１０１に到達する。図１０には、左側の光取込部１０１から取り込んだ光が撮像素子１０７に到達する経路をＬＬとして実線で示し、右側の光取込部１０２から取り込んだ光が撮像素子１０６に到達する経路をＬＲとして点線で示してある。

光路変換素子Ｐ１０１は、ｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する偏光膜Ｐ１０１ａを有し、この偏光膜Ｐ１０１ａにおいてｓ偏光成分を反射するのが光路変換面である。光路変換素子Ｐ１０１は、光取込部１０１から取り込んだ光ＬＬの中で、ｓ偏光成分は図１０の−Ｙ方向に反射し、光取込部１０２から取り込んだ光ＬＲの中で、ｓ偏光成分は図１０の＋Ｙ方向に反射する。一方、光取込部１０１および１０２から取り込んだ光ＬＬ,ＬＲの中で、ｐ偏光成分の大部分は偏光膜Ｐ１０１ａを透過し、光軸方向であるＹ軸の方向に反射されない。また、光取込部１０２から取り込んだ光ＬＲのｓ偏光成分は、＋Ｙ方向に反射された後、λ／４シート１１１を透過することで、例えば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１１２で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シート１１１を透過することでｐ偏光成分になる。反射ミラー１１２は、アルミニウムなどの金属を表面に蒸着し、反射面として用いられる。反射ミラー１１２によって反射された光ＬＲは、円偏光の成分を有しているが、再びλ／４位相差シート１１１を通過し、直線偏光であるｐ偏光成分に変換され、偏光膜Ｐ１０１ａを透過する。

偏光膜Ｐ１０１ａには、例えば、偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)が用いられるが、その特性としては、可視光波長帯域(４００(ｎｍ)〜７００(ｎｍ))、膜面への入射角４５±１０(度)の範囲でｐ偏光成分の透過率が９０(％)以上で、ｓ偏光成分の反射率が９０(％)以上であることが望ましく、理想的には、膜面への入射角４５±２０(度)の範囲で、ｐ偏光成分の透過率が１００(％)で、ｓ偏光成分の反射率が１００(％)であるのが望ましい。

次に、この第２実施形態における数値例について、図１０,図１１および表４〜表６を用いて詳細に説明する。

表４は面データを示し、表５は、表４の面データのうち非球面レンズの形状に関するデータを示し、表６は、各ズームポジションにおける焦点距離ｆ、Ｆナンバー、画角２ｗを示している。面間隔Ｒｉおよび曲率半径Ｄｉの値の単位はｍｍ(ミリメートル)である。屈折率およびアッベ数の欄には、レンズ要素のｄ線(５８７.６ｎｍ)に対する屈折率およびアッベ数の値を示している。

また、非球面形状に関して、光軸方向にＺ軸、光軸と直交する方向にＹ軸をとるとき、非球面式である上記(式６)を用いて表される。

表４において、第１レンズＬ１はＳ１からＳ２、光路変換素子Ｐ１０１はＳ３からＳ４、第２レンズＬ２はＳ５からＳ６、第３レンズＬ３はＳ７からＳ８、絞りＳＴＯがＳ９、第４レンズＬ４はＳ１０からＳ１１、第５レンズＬ５はＳ１２からＳ１３、第６レンズＬ６はＳ１３からＳ１４(貼り合せ)、第７レンズＬ７はＳ１５からＳ１６、第８レンズＬ８がＳ１７からＳ１８、偏光分離素子Ｐ１０２がＳ１９からＳ２０に対応している。また、撮像素子のＬ９がＳ２１からＳ２２に対応しており、Ｓ２３は像面に対応している。

次に、偏光合成部１０３の詳細を図１２,図１３に示す。図１２,図１３において、２つの光取込部１０１,１０２の間隔を長く保ちながら、偏光合成部１０３の厚み方向の大きさをできるだけ小さくするように光取込部１０１,１０２を配置している。

図１２では、光路変換素子Ｐ１０１は、ｓ偏光成分を反射する偏光膜Ｐ１０１ａを有するが、光取込部１０１から取り込んだ光ＬＬ(実線)の中で、ｓ偏光成分は図１２の−Ｙ方向に反射し、光取込部１０２から取り込んだ光ＬＲ(点線)の中で、ｓ偏光成分は図１２の＋Ｙ方向に反射する。一方、光取込部１０１および１０２から取り込んだ光ＬＬ,ＬＲの中で、ｐ偏光成分の大部分は光路変換素子Ｐ１０１を透過し、光軸方向であるＹ軸の方向に反射されない。また、光取込部１０２から取り込んだ光ＬＲのｓ偏光成分は、偏光膜Ｐ１０１ａによって＋Ｙ方向に反射された後、λ／４シート１１１を透過することで、例えば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１１２で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シート１１１を透過することでｐ偏光成分になり、偏光膜Ｐ１０１ａを透過する。反射ミラー１１２は、アルミニウムなどの金属を表面に蒸着し、反射面として用いられる。偏光膜Ｐ１０１ａには、例えば、偏光ビームスプリッタが用いられるが、その特性としては、可視光波長帯域(４００(ｎｍ)〜７００(ｎｍ))、膜面への入射角４５±１０(度)の範囲で、ｐ偏光成分の透過率が９０(％)以上で、ｓ偏光成分の反射率が９０(％)以上であることが望ましく、理想的には、膜面への入射角４５±２０(度)の範囲で、ｐ偏光成分の透過率が１００(％)で、ｓ偏光成分の反射率が１００(％)であるのが望ましい。

図１３では、光路変換素子Ｐ１０１としてクロスプリズムを配置している。図１３で、Ｚ方向から光取込部１０１,１０２に入射した光は、その下部に配置された光路変換素子１０９Ｌ,１０９Ｒで光路変換素子Ｐ１０１の方向に夫々反射する。図１３に示した光路変換素子Ｐ１０１は、ｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する偏光膜Ｐ１０１ｂと、ｓ偏光成分を透過し、ｐ偏光成分を反射する偏光膜Ｐ１０１ｃとを有する。これら２つの偏光膜Ｐ１０１ｂ,Ｐ１０１ｃによって、光取込部１０１,１０２から入射する光線のうち、ｓ偏光成分は偏光膜Ｐ１０１ｂで反射され、図１３の−Ｙ方向のカメラ光学系１０４の方向に向かい、ｐ偏光成分は偏光膜Ｐ１０１ｃで反射され、図１３の−Ｙ方向のカメラ光学系１０４の方向に向かう。光学特性上、光取込部１０１,１０２からカメラ光学系１０４に出射する光の光路長を同一にすることが望ましく、図１３において、光取込部１０１から取り込んだ光が偏光合成部１０３から出射されるまでの光路長と光取込部１０２から取り込んだ光が偏光合成部１０３から出射されるまでの光路長を揃えている。

図１２,図１３に用いた偏光膜Ｐ１０１ａ,Ｐ１０１ｂ,Ｐ１０１ｃは、屈折率の異なる２つの材料を交互に積層させた誘電体多層膜(例えば、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の２つ材料からなる多層膜)などで形成されている。

次に、この第２実施形態において、カメラ光学系１０４は、図１０に示した様に、複数のレンズ群から構成されており、これらのレンズ群が駆動することにより焦点距離を変更できるズームレンズとなっている。上記説明の通り、光取込部１０１,１０２には２つの同一のレンズＬ１を配置しているが、偏光合成部１０３を通して、光線が一つに合成されるため、カメラ光学系１０４は共有化することができる。このため、光取込部１０１,１０２から取り込まれた２種類の偏光像は、この1組のカメラ光学系１０４で同時にズーミング、フォーカシングが行われると共に、光学系のもつ収差の影響は２つの像に対して同じように働くため、２つの像間の画像の違いが発生しないし、撮影系として最もコストがかかり、サイズアップの影響があるカメラ光学系１０４部分に対して、コストダウンを図ることができるだけでなく、偏光合成式の立体像撮影装置の小型化にも大きく貢献できる。

次に、カメラ光学系１０４よりも像面側に配置された偏光分離部１０５に関して図１４,図１５を用いて説明する。

図１４,図１５は、カメラ光学系１０４から出射した２種類の偏光像が偏光分離部１０５に入射し、光路変換素子の一例としての偏光分離素子Ｐ１０２で各々の方向に分離される様子を示した図である。カメラ光学系１０４で同一の光学系を介して結像される被写体Ａの像であるが、これらの光線は、上記説明の通り、ｓ偏光成分とｐ偏光成分で構成されているため、偏光分離素子Ｐ１０２に到達した光は、偏光分離素子Ｐ１０２の偏光膜Ｐ１０２ａの特性によって、ｐ偏光成分の像とｓ偏光成分の像に分離され、撮像素子１０６,１０７に結像する。この偏光膜Ｐ１０２ａにおいてｐ偏光成分を反射するのが光路変換面である。

このとき、偏光膜Ｐ１０２ａの特性は可視光波長帯域(４００(ｎｍ)〜７００(ｎｍ))において、膜面への入射角４５±１０(度)の範囲でｐ偏光成分の透過率９０(％)以上、ｓ偏光成分の反射率９０(％)以上が望ましく、理想的には、膜面への入射角４５±２０(度)の範囲で、ｐ偏光成分の透過率が１００(％)で、ｓ偏光成分の反射率が１００(％)であるのが望ましい。

図１４において、偏光分離部１０５は、ｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する偏光膜Ｐ１０２ａを有する偏光分離素子Ｐ１０２と、カメラ光学系１０４方向と直交する側にλ／４シート１１４と反射ミラー１１５が配置されている。カメラ光学系１０４方向から入射した光線のうち、ｐ偏光成分は、偏光膜Ｐ１０２ａを透過して撮像素子１０６に向かい、ｓ偏光成分は偏光膜Ｐ１０２ａで−Ｘ方向へ反射され、λ／４シート１１４を透過することで、たとえば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１１５で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シート１１４を透過することでｐ偏光成分になる。ｐ偏光成分になった光は偏光膜Ｐ１０２ａを透過し、撮像素子１０７に入射する。また、光学特性上、撮像素子１０６,１０７に入射する光の光路長を同一にすることが望ましく、偏光分離素子Ｐ１０２の撮像素子１０６側のプリズムを長くして光路長を揃えている。

図１５において、偏光分離部１０５は、ｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する偏光膜Ｐ１０２ａを有する偏光分離素子Ｐ１０２と、カメラ光学系１０４の方向と対向する側にλ／４シート１１４と反射ミラー１１５が配置されている。カメラ光学系１０４方向から入射した光線のうち、ｓ偏光成分は、偏光膜Ｐ１０２ａで反射して撮像素子１０６に向かい、ｐ偏光成分は偏光膜Ｐ１０２ａを透過して、λ／４シート１１４を透過することで、例えば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１１５で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シート１１４を透過することでｓ偏光成分となる。ｓ偏光成分となった光は、偏光膜Ｐ１０２ａで反射し、撮像素子１０７に入射する。また、光学特性上、撮像素子１０６,１０７に入射する光の光路長を同一にすることが望ましく、偏光分離素子Ｐ１０２の撮像素子１０６側のプリズムを長くして光路長を揃えている。

また、図１４,図１５の説明において、偏光膜Ｐ１０２ａを用いて説明したが、偏光分離素子Ｐ１０２として、クロスプリズムを用い、ｐ偏光成分およびｓ偏光成分を直接光路分離することも可能である。

次に、偏光分離部１０５の他の実施例を図１６に示す。図１６において、撮像素子２００の各画素２０３に対応した位置に、ｐ偏光成分を透過する偏光板２０１とｓ偏光成分を透過する偏光板２０２とを交互に配置している。この偏光板２０１と偏光板２０２で光路分離部を構成している。

この偏光板２０１と偏光板２０２が配置された撮像素子２００によって、カメラ光学系１０４からのｐ偏光成分とｓ偏光成分を分離することができる。これにより、撮像素子２００は、１個しか使用する必要がないため、組立性が良くなり、コスト削減が可能となると共に、プリズムのような大きな光学素子が不要となり、装置の小型化が可能となると共に、光学性能の改善を図れる。

取り込んだ像を撮像するための撮像素子は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子(センサ)、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換器等を備えており、上記ｐ偏光成分およびｓ偏光成分の分離画像に基づく撮像素子の出力に基づいて画像データを生成する。また、一般的にカメラは、自分で撮影した画像に関する情報を記録する内蔵メモリを有し、双方向パラレルインターフェースやＳＣＳＩインターフェース等の高速で画像転送可能な汎用インターフェースやＵＳＢ(Universal Series Bus)によって画像処理装置のコンピュータに接続される。

図１７は、一般的なカメラに用いられる画像処理装置１０８の構造を説明するブロック図である。画像処理装置１０８は、演算処理を実行し、命令を出力する等の機能を備えたＣＰＵ(Central Processing Unit：中央処理装置)２０７と、画像処理のための手順をＣＰＵ２０７に実行させるためのプログラム等を格納したＲＯＭ(Read Only Memory：リード・オンリー・メモリー)２０８と、ＣＰＵの処理動作のために、ＲＯＭ２０８から読み出した上記プログラムや、ＣＰＵの処理のために必要なデータ等を一時的に格納しておくＲＡＭ(Random Access Memory：ランダム・アクセス・メモリー)２０９からなるコンピュータ２１０と、データやコマンド等を入力するための入力部２１１と、ＣＰＵの出力を表示するための表示部２１２と、更に必要に応じて画像データを収納するための記憶手段(図示せず)を備えている。

画像は撮像素子で電気信号に変換されて、Ａ／Ｄ変換した後、内蔵の画像信号処理回路に入りシェーディング補正やγ補正等の処理を行った後、その内蔵メモリに記録される。画像処理装置１０８に入力された画像データは、コンピュータ２１０で画像２枚のステレオ画像に形成される。画像処理装置１０８のコンピュータ２１０はこのようにして得られた２つの画像から立体画像を生成し、例えばディスプレイなどの出力手段(図示せず)等に表示することができる。

以上、光取込部１０１および光取込部１０２からの入射光の夫々が、偏光合成部１０３、カメラ光学系１０４、偏光分離部１０５を通して、撮像素子１０６,１０７上にそれぞれｐ偏光成分およびｓ偏光成分に分離した画像を結像する手段について詳細に説明した。ｐ偏光成分の画像とｓ偏光成分の画像は、光取込部１０１および光取込部１０２の視差に応じてそれぞれ互いに僅かにずれている。

上記偏光合成式の立体像撮影装置は、第１実施形態の偏光合成式立体像撮影装置と同様の効果を有する。

〔第３実施形態〕
最後に、本発明の第３実施形態として、本発明のズームレンズを搭載した電子機器の一例としての携帯型情報端末に関して図１８〜図２０を用いて説明する。図１８〜図２０は、本発明の偏光合成式の立体像撮影装置であるズームレンズを搭載した携帯電話３００の外観を示す図である。図１８は携帯電話３００の正面図であり、図１９は携帯電話３００の背面図であり、図２０は携帯電話３００の側面図である。図１８〜図２０では、電子機器として携帯電話である例を示しているが、この第３実施形態の電子機器は、これに限定されるものではない。電子機器としては、例えば、ＰＣ(特にモバイルＰＣ)、ＰＤＡ、ゲーム機、テレビ等のリモートコントローラ等が挙げられる。

図１８〜図２０に示されるように、携帯電話３００は、モニター側筐体３０１および操作側筐体３０２を備えている。モニター側筐体３０１は、モニター部３０５およびスピーカー部３０６を含み、操作側筐体３０２は、マイク部３０３、テンキー３０４を含み、その裏面に本発明の偏光合成式の立体像撮影装置３０７が配置されている。例えば、偏光合成式の立体像撮影装置３０７に第２実施形態の偏光合成式の立体像撮影装置１００を用いてもよい。

図１９中では、偏光合成式の立体像撮影装置３０７の光取込部が横一列になるように配置されているが、この配置だけに限定される訳ではなく、偏光合成式の立体像撮影装置３０７の光取込部は、携帯電話３００の筐体に対して縦方向に配置されても良い。また、この第３実施形態のズームレンズの配置方法およびその向きについては、携帯電話３００のモニター側筐体３０１の裏面に限定されるわけではない。

図１８において、スピーカー部３０６は、音声情報を外部に出力するものであり、マイク部３０３は音声情報を携帯電話３００に入力するものである。モニター部３０５は、映像情報を出力するものであり、例えば、偏光合成式の立体像撮影装置３０７で撮影した被写体の像をモニター部３０５に出力させることも可能である。

なお、この第３実施形態の携帯電話３００は、図１８〜図２０に示されるように、上部の筐体(モニター側筐体３０１)と下部の筐体(操作側筐体３０２)とがヒンジを介して接続されている、いわゆる折りたたみ式の携帯電話３００を例として挙げている。携帯電話３００として、折りたたみ式が主流であるため、本実施形態では折りたたみ式の携帯電話を一例として挙げているのであって偏光合成式の立体像撮影装置３０７を搭載することができる携帯電話３００は、折りたたみ式に限るものではない。近年、折りたたみ式の携帯電話３００において、折りたたんだ状態で厚みが１０ｍｍ以下のものも登場してきている。携帯電話３００の携帯性を考慮するならば、その厚みは極めて重要な要素となっている。

図１８〜図２０に示す操作側筐体３０２において、図示されない内部の回路基板等を除いて、その厚みを決定する部品は、マイク部３０３、テンキー３０４、偏光合成式の立体像撮影装置３０７である。この中で、偏光合成式の立体像撮影装置３０７の厚さが最も厚く、偏光合成式の立体像撮影装置３０７の薄型化は、携帯電話３００の薄型化に直接繋がる。よって、上述のように薄型化可能な本発明の偏光合成式の立体像撮影装置３０７は、携帯電話の様な薄型化を必要とする電子機器に対して好適な発明である。

上記構成によれば、偏光合成式の立体像撮影装置３０７を携帯電話３００に搭載することで、撮影した静止画や動画に対して、立体像を撮影する立体画像撮影装置として応用することが可能となり、高機能かつ付加価値の高い小型の携帯電話３００を実現することができる。

上記第３実施形態では、偏光合成式の立体像撮影装置を備えた電子機器としての携帯電話について説明したが、電子機器はこれに限らず、他の携帯情報端末などの電子機器にこの発明を適用してもよい。

上記第１〜第３実施形態では、偏光合成式の立体像撮影装置およびその立体像撮影装置を備えた携帯電話について説明したが、偏光合成式に限らず、偏光合成式以外の光学技術を用いた光の合成,分離方式の立体像撮影装置にこの発明を適用してもよい。

例えば、図２１に示す構成の立体像撮影装置としてもよい。この立体像撮影装置は、図２１に示すように、被写体の像を取り込む２つの光取込部(図示せず)と、その２つの光取込部から夫々入射した入射光を合成する光路合成部４０３と、被写体の像を所望の倍率で結像させる結像部の一例としてのカメラ光学系４０４と、カメラ光学系４０４から出射した結像光を分離する光路分離部４０５と、光路分離部４０５により分離された結像光を受ける２つの撮像素子４０６,４０７と、撮像素子４０６,４０７で得られた被写体像を撮像(光電変換)した後に、Ａ／Ｄ変換して得たデジタル画像データから画像を形成する画像処理装置(図示せず)とを備えている。上記光路合成部４０３は、２つの光路変換面Ｐ４０１Ｌa,Ｐ４０１Ｌbを有する光路変換素子Ｐ４０１Ｌと、２つの光路変換面Ｐ４０１Ｒa,Ｐ４０１Ｒbを有する光路変換素子Ｐ４０１Ｒで構成されている。また、光路分離部４０５は、光路変換面Ｐ４０２Ｌaを有する光路変換素子Ｐ４０２Ｌと、光路変換面Ｐ４０２Ｒaを有する光路変換素子Ｐ４０２Ｒで構成されている。この撮像素子４０６,４０７の撮像イメージは一定量ずれた映像(視差画像)となる。このずれ量は、２つの光取込部の配置によって決まる数値である。

図２１に示す立体像撮影装置においても、部品点数を削減でき、低コストでかつ撮像特性に優れた立体像撮影装置を実現することができる。

本発明における立体像撮影装置において、第１レンズ群に複数の光取込部と光路合成部の光路変換素子を配置し、第４レンズ群の像面側に光路合成部の光路変換素子を配置することで、同一被写体を異なった角度から撮影することが可能となり、立体像を容易に得ることができるようになる。この構成において、光路変換素子の入射面から最初の光路変換面までの距離を光路変換面から出射面までの距離以下に設定することで、第１レンズ群がアフォーカルな光学系を実現でき、モジュール厚みを最小化できる。また、このような構成とすることで、第１レンズ群の一部と第２レンズ群・第３レンズ群を共有化でき、部品点数を減らすことができ、コスト削減が見込める。

また、第４レンズ群の像面側に光路合成部の光路変換素子を配置することによって、最終レンズから像面までを長くすることができ(テレセントリック光学系)、像面において、周辺光量比が均一な被写体像を得ることができるようになる。その結果、組立時に精度の高いアライメントが不要となるため、生産性に優れ、安価な立体像撮影装置を提供することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る立体像撮影装置は、デジタルスチルカメラなどの撮影機器に好適に用いることができる。また、携帯用途に適した小型の撮影装置に対して特に好適に用いることができる。具体的には、携帯型情報端末または携帯電話に搭載されるカメラを挙げることができる。

１００…立体像撮影装置
１０１,１０２…光取込部
１０３…偏光合成部
１０４…カメラ光学系
１０５…偏光分離部
１０６,１０７…撮像素子
１０８…画像処理装置
１０９Ｌ,１０９Ｒ…光路変換素子
１１１…位相差板
１１２…反射ミラー
１１４…位相差板
１１５…反射ミラー
２００…撮像素子
２０１…偏光板
２０２…偏光板
２０３…撮像素子の画素
２０７…ＣＰＵ
２０８…ＲＯＭ
２０９…ＲＡＭ
２１０…コンピュータ
２１１…入力部
２１２…表示部
３００…携帯電話
３０１…モニター側筐体
３０２…操作側筐体
３０３…マイク部
３０４…テンキー
３０５…モニター部
３０６…スピーカー部
３０７…偏光合成式の立体像撮影装置
４０３…光路合成部
４０４…カメラ光学系
４０５…光路分離部
４０６,４０７…撮像素子
Ｌ１…第１レンズ
Ｌ２…第２レンズ
Ｌ３…第３レンズ
Ｌ４…第４レンズ
Ｌ５…第５レンズ
Ｌ６…第６レンズ
Ｌ５６…第５レンズ,第６レンズからなる接合レンズ
Ｌ７…第７レンズ
Ｌ８…第８レンズ
Ｌ９…第９レンズ
ＩＭＧ…像面
ＳＴＯ…絞り
Ｐ１,Ｐ２…光路変換素子
Ｐ１ａ…光路変換素子Ｐ１第１の光路変換面
Ｐ１ｂ…光路変換素子Ｐ１の第２の光路変換面
Ｐ２ａ…光路変換素子Ｐ２の光路変換面
Ｐ１０１…光路変換素子
Ｐ１０１ａ,Ｐ１０１ｂ,Ｐ１０１ｃ…偏光膜
Ｐ１０２…偏光分離素子
Ｐ１０２ａ…偏光膜
Ｐ４０１Ｌ,Ｐ４０１Ｒ…光路変換素子
Ｐ４０１Ｌa,Ｐ４０１Ｌb,Ｐ４０１Ｒa,Ｐ４０１Ｒb…光路変換面
Ｐ４０２Ｌ,Ｐ４０２Ｒ…光路変換素子
Ｐ４０２Ｌa,Ｐ４０２Ｒa…光路変換面
Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｇ４…第４レンズ群
ｌ_１…光路変換素子Ｐ１の入射面から光路変換面Ｐ１ａまでの光路長
ｌ_２…光路変換素子Ｐ１の光路変換面Ｐ１ａから光路変換素子Ｐ１の出射面までの光路長
Ａ…被写体
ＬＬ…光取込部１０１から取り込まれた光線
ＬＲ…光取込部１０２から取り込まれた光線

Claims (9)

1. 立体像を生成するための複数の視差画像が得られるように、被写体からの光を夫々取り込む複数の光取込部と、
   上記複数の光取込部により夫々取り込まれた上記被写体からの光を合成する光路合成部と、
   上記光路合成部により合成された上記被写体からの光を複数のレンズを介して結像させる結像部と、
   上記複数の光取込部により夫々取り込まれた上記被写体からの光が異なる像面に結像するように、上記結像部を透過した光を分離する光路分離部と
   を備え、
   上記光路合成部は、少なくとも１つの光路変換面を有する光路変換素子を有すると共に、
   上記光路分離部は、少なくとも１つの光路変換面を有する光路変換素子を有し、
   上記光路合成部の上記光路変換素子の入射面から最初の光路変換面までの光路長をｌ_１とし、その最初の光路変換面から上記光路変換素子の出射面までの光路長をｌ_２とするとき、
   ｌ_１≦ｌ_２ ……… (式１)
   の条件を満足することを特徴とする立体像撮影装置。
2. 請求項１に記載の立体像撮影装置において、
   上記複数の光取込部および上記結像部は、物体側から像面側に向かって順に、像面からの距離が固定された負の屈折力を有する第１レンズ群と、変倍時に移動する正の屈折力を有する第２レンズ群と、変倍時および合焦時に移動する負の屈折力を有する第３レンズ群と、像面からの距離が固定された正の屈折力を有する第４レンズ群で構成され、
   上記複数の光取込部は、上記第１レンズ群の最も物体側のレンズであり、負の屈折力を有することを特徴とする立体像撮影装置。
3. 請求項２に記載の立体像撮影装置において、
   上記第１レンズ群が略アフォーカルな光学系であることを特徴とする立体像撮影装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１つに記載の立体像撮影装置において、
   上記光路合成部の上記光路変換素子および上記光路分離部の上記光路変換素子は、偏光変換素子であることを特徴とする立体像撮影装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の立体像撮影装置において、
   上記光路合成部の上記光路変換素子に入射する光線の有効径をＤｏとし、上記光路変換素子から出射する光線の有効径をＤｉとするとき、
   Ｄｏ≧Ｄｉ ……… (式２)
   の条件を満たすことを特徴とする立体像撮影装置。
6. 請求項１から５までのいずれか１つに記載の立体像撮影装置において、
   上記光路合成部の上記光路変換素子における入射面から最初の光路変換面までの光路長をｌ_１とし、上記光路合成部の上記光路変換素子における上記最初の光路変換面から出射面までの光路長をｌ_２とし、上記光路分離部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ２とし、上記光取込部から像面までの全光路長をＬallとするとき、
   (ｌ_１＋ｌ_２＋ＬＰ２)／Ｌall ＞ ０.４ ……… (式３)
   の条件を満たすことを特徴とする立体像撮影装置。
7. 請求項２または３に記載の立体像撮影装置において、
   上記光路合成部は、上記第１レンズ群内に配置され、
   上記光路合成部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ１とし、上記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とするとき、
   −０.８ ＜ ｆ１／ＬＰ１ ＜ −０.１ ……… (式４)
   の条件を満足することを特徴とする立体像撮影装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１つに記載の立体像撮影装置において、
   上記光路合成部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ１とし、上記光路分離部の上記光路変換素子における入射面から出射面までの光学全長をＬＰ２とするとき、
   ０.１ ＜ ＬＰ２／ＬＰ１ ＜ ０.３ ……… (式５)
   の条件を満足することを特徴とする立体像撮影装置。
9. 請求項１から８までのいずれか１つに記載の立体像撮影装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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